Optimasi Proses Pembuatan Biodiesel Biji Jarak Pagar (Jatropha Curcas L.) Melalui Proses Ekstraksi Reaktif

(1)

Jurnal Teknologi Kimia Unimal 6 : 2 (November 2017) 16 - 30

Jurnal

Teknologi

Kimia

Unimal

Makalah sudah dipresentasikan dalam Seminar Nasional Teknik Kimia UNIMAL 2016 (17 Oktober 2016)

Jurnal Teknologi Kimia Unimal

ht t p:/ / ojs.unim al.ac.id/ index.php/ jt k

Optimasi Proses Pembuatan Biodiesel Biji Jarak Pagar

(

Jatropha Curcas

L.) Melalui Proses Ekstraksi Reaktif

Retno Atika Putri1, Azhari Muhammad1, Ishak1

1

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Malikussaleh Laboratorium Teknik Kimia, Jl. Batam No. 2, Lhokseumawe 24353, Indonesia

e-mail: retnoatikaputri@gmail.com

Abstrak

(2)

Retno Atika Putri dkk. / Jurnal Teknologi Kimia Unimal 6 : 2 (November 2017) 16 –30

17 131,92 menit dengan yield biodiesel sebesar 12,88%.

Kata kunci : Biodiesel, ekstraksi reaktif, minyak jarak pagar, Response Surface Methodology, transesterifikasi

1. Pendahuluan

Saat ini, bahan bakar fosil merupakan sumber energi secara global. Namun,

persediaan energi fosil seperti minyak, gas dan batubara di Indonesia yang selama

ini digunakan semakin menipis, dan akan diperkirakan habis pada tahun 2025.

Indonesia sedang mengalami krisis energi dan terpaksa harus impor BBM dari

negara asing, padahal Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak

bumi di dunia. Oleh karena itu, untuk mengatasi permasalahan ini diperlukan

usaha-usaha untuk mencari bahan energi terbarukan (renewable energy). Salah

satu bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan dan berasal dari sumber daya

yang dapat diperbaharui adalah biodiesel.

Menurut American Society for Testing Materials (ASTM Internasional),

biodiesel didefinisikan sebagai mono-alkil ester rantai panjang asam lemak yang

berasal dari sumber yang terbarukan, yang digunakan untuk mesin diesel.

Biodiesel merupakan bahan bakar terbarukan, biodegradable, tidak beracun, dan

ramah lingkungan. Biodiesel menghasilkan emisi yang lebih rendah, memiliki

titik flash tinggi, daya pelumas yang lebih baik, dan cetane number tinggi.

Penggunaan biodiesel memiliki potensi untuk mengurangi tingkat polusi dan

kemungkinan karsinogen [Novalina, 2015].

Tanaman jarak pagar (Jatropha curcas L.) merupakan salah satu tanaman

yang berpotensi sebagai bahan bakar alami terbarukan. Tanaman ini sangat cepat

tumbuh dan struktur akarnya mampu menahan erosi, terutama apabila ditanam

dengan jarak yang sangat rapat. Biji jarak merupakan bagian dari tanaman jarak

pagar yang mengandung minyak cukup tinggi. Tanaman sejak lama dikenal

sebagai tanaman konservasi karena sifatnya yang sangat toleran terhadap jenis

tanah dan iklim.

Metode konvensional untuk memproduksi biodiesel dari minyak jarak dan

tipe lainnya terdiri dari beberapa tahap, yaitu ekstraksi minyak, purifikasi dan

reaksi esterifikasi atau transesterifikasi, proses ini merupakan proses yang

(3)

18 refined oil digunakan sebagai bahan baku. Pengembangan ekstraksi reaktif

memiliki potensi untuk mengurangi biaya pengolahan dengan segala jenis bahan

baku. Hybrid atau proses simultan yang meng-kombinasikan reaksi dan proses

pemisahan adalah satu hal yang telah menerima banyak perhatian akhir-akhir ini

dikarenakan untuk menghemat biaya investasi dan energi dan beberapa hal lain.

Ekstraksi reaktif adalah proses yang melibatkan reaksi dan pemisahan dilakukan

secara bersamaan. Pemisahan fase dapat dilakukan secara alami dalam sistem

reaktif dengan menambahkan pelarut. Alkohol bertindak sebagai pelarut di proses

ekstraksi dan sebagai reagent pada reaksi transesterifikasi selama ekstraksi reaktif

berlangsung [Supardan, 2013]. Berdasarkan pemikiran yang telah dipaparkan,

maka penulis melakukan penelitian pembuatan biodiesel minyak jarak pagar

(Jatropha curcas L.) dengan menggunakan ekstraksi reaktif, sehingga metode ini

nantinya dapat dikembangkan untuk skala industri dan mampu meminimalkan

dampak lingkungan.

2. Tinjauan Pustaka

Tanaman jarak dapat tumbuh di tanah yang kering, mudah tumbuh dengan

cepat dan tanaman ini dapat menghasilkan biji selama 40 tahun. Tanaman jarak

ini mnghasilkan biji dengan kandungan minyak hingga 37%, hampir dua kalilipat

dibandingkan kedelai dan hampir sama dengan kandungan minyak pada camelina.

Minyak dari tanaman ini dapat diekstrak dari bijinya setelah 2 hingga 5 tahun

penanaman, tergantung kualitas tanah dan curah hujan [Honary, L.A.T, 2011].

Bunga tanaman jarak berwarna kuning kehijauan, berupa bunga majemuk

berbentuk malai, bermah satu. Buah berupa buah kotak berbentuk bulat telur,

diameter 2-4 cm, berwarna hijau ketika masih muda dan kuning ketika telah

masak. Buah jarak terbagi 3 ruang yang masing-masing ruang diisi 3 biji. Biji

berbentuk bulat lonjong, warna coklat kehitaman. Biji inilah yang banyak

mengandung minyak dengan rendemen sekitar 30-40%. Minyak jarak pagar

diperoleh dari biji dengan metode pengempaan panas atau dengan ekstraksi

pelarut. Minyak jarak pagar tidak dapat dikonsumsi manusia karena mengandung

(4)

19 Biodiesel digunakan sebagai bahan bakar alternatif pengganti, sangat baik

bagi lingkungan, diproduksi dalam negeri dengan sumber daya alam untuk

mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar impor dan dapat memberikan

kontribusi untuk perekonomian negara [biodiesel.org, 2016]. Menurut American

Society of Testing Material bahwa biodiesel adalah bahan bakar alternatif yang

menjanjikan yang dapat diperoleh dari minyak tumbuhan, lemak binatang atau

minyak bekas melalui esterifikasi dengan alkohol. Sumber alkohol yang

digunakan dapat bermacam-macam. Apabila direkasikan dengan metanol, maka

akan didapati metil ester, apabila direaksikan dengan etanol akan diperoleh etil

ester. Metanol lebih banyak digunakan sebagai sumber alkohol karena rantainya

lebih pendek, lebih polar dan harganya lebih murah dari alkohol lainnya (Ma dkk.,

2001).

2.1 Pembuatan Biodiesel

Pembuatan biodiesel dapat dilakukan dengan cara 2 langkah, yaitu

esterifikasi dan transesterifikasi. Proses esterifikasi bertujuan untuk menurunkan

kadar FFA minyak/lemak yang akan digunakan. Bahan baku minyak jarak dan

minyak jelantah harus mengandung asam lemak bebas dalam minyak serendah

mungkin (<1%). Adanya sedikit kandungan asam lemak bebas dalam reaktan

akan menyebabkan terbentuknya sabun dan akan menurunkan yield ester serta

mempersulit pemisahan pemisahan ester dan gliserol. Kehadiran asam lemak

bebas dalam minyak juga akan mengkonsumsi katalis sehingga menurunkan

efisiensi katalis. Transesterifikasi berkatalis basa akan efisien jika bahan baku

minyak berkemurnian tinggi (Rahmania, 2004).

Reaksi transesterifikasi disebut juga dengan reaksi alkoholisis. Alkohol

yang biasa digunakan dalam rekasi tranesterifikasi adalah metanol. Proses

transestrifikasi dengan menggunakan katalis basa mampu mencapai 98 %

konversi dengan waktu reaksi minimum. Berikut ini adalah reaksi pembentukan

metil ester dapat dilihat pada Gambar 1, sedangkan tahap-tahap reaksi

(5)

20 Reaksi terjadi secara bertahap. Pada reaksi pertama adalah konversi dari

trigliserida menjadi digliserida, diikuti dengan digliserida menjadi monogliserida,

dan terakhir adalah monogliserida menjadi gliserol, menghasilkan satu molekul

metil ester dari setiap gliserida pada setiap tahap. Reaksi transesterifikasi

dilakukan menggunakan katalis basa kuat, yaitu KOH. Menurut Encinar dkk.

(1999), melaporkan bahwa dibandingkan dengan NaOH, kinerja KOH sebagai

katalis lebih unggul dimana produk metil ester yang dihasilkan lebih banyak serta

pemisahan produk metil ester dari gliserol lebih mudah. Kombinasi antara katalis

KOH dengan pelarut metanol dalam reaksi transesterifikasi diharapkan dapat

menghasilkan produk biodiesel yang maksimal.

Tujuan reaksi transesterifikasi adalah untuk menghilangkan secara utuh

kandungan trigliserida, titik didih, titik nyala, viskositas dari minyak yang

direaksikan, agar metil ester yang dihasilkan dapat digunakan pada mesin diesel

tanpa merusak atau merubah mesin diesel.

2.2 Ekstrasksi

Ekstraksi adalah proses pemisahan suatu zat berdasarkan perbedaan

(6)

21 melarutkan minyak atsiri dalam bahan dengan pelarut organik yang mudah

menguap. Metode konvensional untuk memproduksi biodiesel dari minyak jarak

dan tipe lainnya terdiri dari beberapa tahap, yaitu ekstraksi minyak, purifikasi dan

reaksi esterifikasi atau transesterifikasi. Ini merupakan proses yang panjang

Metode pengolahan ini menghabiskan 70% dari total biaya produksi jika refined

oil digunakan sebagai bahan baku. Pengembangan ekstraksi reaktif memiliki

potensi untuk menrurangi biaya pengolahan sengan segala jenis bahan baku.

Hybrid atau proses simultan yang meng-kombinasikan reaksi dan proses

pemisahan adalah satu hal yang telah menerima banyak perhatian akhir-akhir ini

dikarenakan untuk menghemat biaya investasi dan energi dan beberapa hal lain.

Ekstraksi reaktif adalah proses yang melibatkan reaksi dan pemisahan

dilakukan secara bersamaan. Pemisahan fase dapat dilakukan secara alami dalam

sestem reaktif dengan menambahkan pelarut. Alkohol bertindak sebagai pelarut di

proses ekstraksi dan sebagai reagent di reaksi transesterifikasi selama ekstraksi

reaktif berlangsung. Oleh sebab itu alkohol diperlukan dalam jumlah yang sangat

banyak (Supardan, 2013).

3. Metode Penelitian

Adapun tahapan dalam melakukan penelitian ini meliputi persiapan bahan

baku, tahapan penelitian, dan tahap analisa. Biji buah jarak yang sudah tua

dibersihkan terlebih dahulu. Setelah itu dihancurkan, kemudian dikeringkan

hingga suhu 76 oC. Biji yang telah dihaluskan dan dikeringkan, ditimbang sebanyak 200 gram dan dimasukkan ke dalam lab leher tiga (reaktor). Selanjutnya

600 ml pelarut n-heksana dan KOH yang telah dilarutkan dengan metanol

dimasukkan ke reaktor. Perbandingan mol 1:4 (minyak:metanol), metanol

sebanyak 40 ml dimasukkan ke dalam reaktor. Campuran dipanaskan pada suhu

55 oC . Campuran di-homogenkan dengan kecepatan pengadukan 400 rpm selama 1 jam.

Setelah ekstraksi reaktif selesai, peralatan pemanas dimatikan dan

campuran reaksi dikeluarkan dari reaktor. Campuran dipisahkan dengan proses

(7)

22 Filtrat yang diperoleh di-destilasi hingga suhu 70 oC untuk menghilangkan pelarut (n-heksana dan metanol) dari minyak. Minyak yang telah dipisahkan dari

pelarut dimasukkan ke dalam corong pemisah selama beberapa jam sehingga

terlihat 2 lapisan, yaitu lapisan atas adalah metil ester dan lapisan bawah adalah

gliserol. Metil ester atau biodiesel yang telah diperoleh, dicuci dengan air hangat

(suhu 50 oC) untuk menghilangkan residu katalis dan sabun. Gliserol merupakan produk samping dari proses ini, maka gliserol dipisahkan dari biodiesel.

Selanjutnya, biodiesel dikeringkan untuk mengurangi kadar air, kemudian

dilakukan analisa hasil. Untuk variabel lain akan dilakukan dengan

langkah-langkah yang sama tetapi dengan mengubah variabel suhu, waktu reaksi dan

perbandingan mol sesuai dengan yang diinginkan. Biodiesel yang diperoleh

diambil untuk dianalisa yield, viskositas, densitas, moisture content, cloud point

(F) dan pour point (F) dan analisa komposisi kimia biodiesel.

Metode yang digunakan untuk merancang percobaan ini adalah RSM

(Metode Response Surface Methodology). RSM merupakan penggabungan teknik

(8)

23 yang mana respon yang diamati dipengaruhi oleh beberapa variabel dan bertujuan

untuk mengoptimalkan hasil penelitian ini.

Adapun diagram optimasi proses pembuatan biodiesel minyak jarak pagar

(Jatropha curcas L.) dengan menggunakan ekstraksi reaktif dapat dilihat pada

Gambar 3.

4. Hasil dan Pembahasan

Penelitian ini didesain dengan menggunakan Response Surface

Methodology (RSM) dengan software Design Expert V.6.0.8 Hasil penelitian

berupa yield biodiesel diperoleh dari hasil perhitungan data penelitian yang

dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia Universitas Malikussaleh dan

Laboratorium Politeknik Negeri Lhokseumawe.

Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, maka data pengamatan proses

pembuatan biodiesel biji jarak pagar (Jatropha curcas L.) melalui proses ekstraksi

reaktif dapat dilihat pada Tabel 1.

(9)

24 Model kuadratik dipilih sebagai model permukaan respon aktivitas terhadap

mol rasio, suhu dan waktu berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan.

Keakuratan model tersebut dapat diketahui dari harga R-squared yaitu R2 =

0,9537. Berdasarkan nilai tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa nilai yield

biodiesel yang diperkirakan dengan model mendekati nilai yang diperoleh dari

hasil penelitian. Nilai R2 > 0,85 artinya model dapat diterima. Adapun model

yang dihasilkan adalah bentuk persamaan matematis yang disusun sebagai

berikut:

4.1 Interaksi antara suhu dan waktu

Grafik tiga dimensi yang menunjukkan interaksi antara suhu dan waktu

dapat dilihat pada Gambar 4.

(10)

25 reaksi transesterifikasi dilakukan pada suhu 60.65 oC pada tekanan atmosfer. Kecepatan reaksi akan meningkat sejalan dengan kenaikan temperatur, yang

berarti semakin banyak energi yang dapat digunakan reaksi untuk mencapai

energi aktivasi, sehingga akan menyebabkan semakin banyak tumbukan terjadi

antara molekul-molekul reaktan.

Semakin lama waktu reaksi, maka semakin banyak ester yang dihasilkan.

Hal ini dapat terjadi karena situasi ini akan memberikan kesempatan

molekul-molekul reaktan untuk semakin lama bertumbukan. Grafik hubungan suhu dan

waktu disajikan pada Gambar 5.

Suhu reaksi yang digunakan pada proses transesterifikasi sebaiknya tepat,

karena suhu yang berlebihan dapat menyebabkan reaksi menjadi tidak sempurna.

Pada penelitian ini digunakan suhu bervariasi, yaitu 55,60 dan 65 oC. Gambar 5 di atas, menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu reaksi yang dioperasikan, maka

yield metil ester semakin besar. Hal ini terjadi karena dengan naiknya suhu reaksi,

maka tumbukan partikel akan semakin besar, sehingga reaksi berjalan semakin

cepat dan konstanta reaksi akan semakin besar. Ketika reaksi berlangsung selama

180 menit, pada suhu 55 dan 60 oC mengalami penurunan, karena pelarut (n-heksana) dan metanol kemungkinan mengalami penguapan ketika reaksi

berlangsung. Pada Reaksi ini merupakan reaksi endotermis, sehingga apabila suhu

(11)

26

4.2 Interaksi antara suhu dan perbandingan mol

Berikut adalah grafik tiga dimensi yang menunjukkan interaksi antara

perbandingan mol dengan suhu. Gambar di atas menunjukkan interaksi antara

perbandingan mol dan suhu. Pada reaksi transesetrifikasi, penggunaan suhu yang

tidak tepat dapat mengakibatkan reaksi tidak sempurna dan menyebabkan

berkurangnya yield biodiesel. Penggunaan suhu yang tepat mengakibatkan reaksi

bergeser ke arah kanan (produk), peningkatan laju reaksi ini disebabkan oleh

meningkatnya konstanta laju reaksi yang merupakan fungsi dari temperatur.

Reaksi transesterifikasi merupakan reaksi reversible, maka pada kondisi suhu

yang tinggi kesetimbangan bergeser ke arah kiri (dekomposisi produk).

Perbandingan reaktan yang semakin tinggi, maka semakin besar pula yield yang

diperoleh. Hal ini dapat terjadi karena perbandingan mol reaktan yang berlebih,

yang diharapkan reaksi akan bergeser ke kanan. Perbandingan mol 1:6 mengalami

penurunan. Hal ini mungkin disebabkan oleh trigliserida yang telah habis

bereaksi. Metanol yang digunakan adalah methanol teknis, dimana metanol

tersebut masih mengandung air. Keberadaan air akan menyebabkan reaksi

bergeser kea rah kiri. Reaksi transesterifikasi merupakan reaksi reversible yang

(12)

27

4.3 Interaksi antara waktu dan perbandingan mol

Grafik tiga dimensi yang menunjukkan interaksi antara waktu dan

perbandingan mol dapat dilihat pada Gambar 8 dan grafik perbandingan mol

terhadap waktu reaksi disajikan pada Gambar 9.

(13)

28 biodiesel. Secara umum ditunjukkan bahwa semakin banyak alkohol yang

digunakan maka semakin banyak yield yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan

pemakaian reaktan yang berlebih akan memperbesar kemungkinan tumbukan

antara zat molekul yang bereaksi sehingga kecepatan reaksinya bertambah besar.

Penggunaan mol reaktan secara berlebihan juga dapat menyebabkan yield kecil.

Kondisi ini dapat terjadi karena dengan penggunaan mol reaktan secara

berlebihan, katalis tidak berperan secara signifikan dalam memperkecil energi

aktivasi. Oleh karena itu, dengan waktu yang diberikan terbatas, kesempatan

molekul untuk bertumbukan semakin kecil, inilah yang menyebabkan yield yang

diperoleh kecil.

4.4 Analisa karakteristik biodiesel

Hasil analisa yang diperoleh dari uji kualitas biodiesel ditampilkan pada

(14)

29 Berdasarkan hasil yang diperoleh seperti tertera pada Tabel 2 dapat

diketahui bahwa densitas, viskositas dan cloud point dari biodiesel yang diperoleh

melalui penelitian ini sudah memenuhi karakteristik sebagaimana yang

dikeluarkan oleh Standar Nasional Indonesia (SNI). Angka asam yang diperoleh

melebihi standar SNI biodiesel , yaitu 0,6 maks. Angka asam yang tinggi dapat

menyebabkan endapan dalam sistem bahan bakar dan juga merupakan indikator

penurunan kualitas bahan bakar. Semakin tinggi angka asam terhadap biodiesel,

maka semakin rendah pula kualitasnya. Angka asam yang tinggi dapat

menyebabkan korosi dan memperpendek umur pompa maupun filter.

Selanjutnya minyak di analisa dengan menggunaka alat Gas

Chromatography (GC) untuk mengetahui komposisi minyak. Gas

Chromatography yang digunakan adalah GC Shimadzu Seri GC-2010

menggunakan kolom BD 5 AT dengan panjang diameter kolom 15 meter dan

internal diameternya adalah 0,250 mm. Suhu Injector kolom adalah 360oC. Suhu kolom awal adalah 60oC kemudian ditahan selama 5 menit, dilanjutkan kembali dengan menaikkan selama 15 menit hingga suhu 350oC, ditahan kembali selama 5 menit. Carier gas pada GC ini adalah nitrogen dengan split rasio 1:50. Hasil

menunjukkan bahwa penelitian ini mengandung senyawa biodiesel (ester).

Senyawa terbanyak ester diperoleh dengan persentase area sebesar 25,227% pada

waktu yang ke 12 menit. Berdasarkan teoritis, kandungan hidrokarbon pada

minyak jarak pagar yang terbanyak adalah metil oleat.

5. Kesimpulan

1. Yield tertinggi yang diperoleh adalah sebesar 12,80% pada kondisi 120 menit

dan suhu 60 oC serta perbandingan mol 1:5.

2. Yieldyang diperoleh berdasarkanoptimasi model Design Expert adalah 12,887

% pada suhu 60,60 oC dengan waktu reaksi 131,92 menit serta perbandingan mol 1 : 5,03.

3. Berdasarkan analisa menggunakan Gas Chromatography, biodiesel yang

diperoleh memiliki persentasi area sebesar 25,227% pada waktu ke 12 menit,

(15)

30

6. Daftar Pustaka

Dogra, S.K. dan S. Dogra. (1990). Kimia Fisik Dan Soal-soal. Universitas Indonesia. Jakarta.

Ma, F., dan Hannah, M.A. (1999). Biodiesel Production: A Review. Bioresource Technology 70, 1-15.

Novalina S., P. (2015). Pembuatan Biodiesel dari Mesokarp Sawit dengan Teknologi Reactive Extraction. Skripsi Program Sarjana Departemen Teknik Kimia USU. Universitas Sumatera Utara. Medan.

Rahmania, O. (2004). Transesterifikasi Minyak Dedak Padi Menjadi Biodiesel dengan Katalis Asam. Surabaya: Thesis Program Pasca Sarjana, Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya.

Supardan, M. D., Satriana, F., Ryan M. (2013). Reactive Extraction of Jatropha Seed for Biodiesel Production Effect of Moisture Content of Jatropha Seed and Co-solvent Concentration. International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology 3, 28-31.

Syah, A. N. A. (2006). Biodiesel Jarak Pagar: Bahan Bakar Alternatif yang Ramah Lingkungan. Jakarta. Agro Media Pustaka.